nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci

PŘÍKLADY SOUČASNÝCH NANOTECHNOLOGIÍ A BUDOUCÍ MOŽNOSTI V MEDICÍNĚ Milena Maryšková, Aneta Horáková

2

OBSAH: POČÁTKY NANOTECHNOLOGIÍ SOUČASNÁ NANOMEDICÍNA A VÝHLED DO BUDOUCNA a) Nanodiagnostika b) Nanofarmacie a nanofarmakologie c) Nanomedicína v onkologii d) Regenerativní medicína e) Terapeutiční nanoboti 3

POČÁTKY NANOTECHNOLOGIÍ RICHARD PHILLIPS FEYNMAN (1918 - 1988)

• Profesor teoretické fyziky. • Nobelova cena za fyziku (1965) • Během války pracoval na projektu atomové bomby.

KIM ERIC DREXLER (nar. 1955)

• Vědec a představitel transhumanismu. • Je tvůrcem konceptu nanotechnologie. • Popsal svět miniaturních umělých systémů (nanorobotů),které se budou podobat živým organismům 4

NANODIAGNOSTIKA Jedná se o využití nanotechnologií v klinické diagnostice zkoumáním živého organismu nebo při studiu odebraných vzorků. in vitro (biosenzor, nanočip nebo integrované zařízení) in vivo (implantovaná zařízení, zobrazovací diagnostické metody)

5

Nanodiagnostika in vitro

DIAGNOSTIKA IN VITRO biosenzor je senzor, který obsahuje biologický prvek (např. enzym), který je schopen pomocí určité biologické změny rozpoznat a signalizovat aktivitu nebo koncentraci specifické molekuly v roztoku, • převod signálu k dalšímu zpracování umožňuje převodník, • miniaturizací vzniká nano(bio)senzor. •

6


Optické - měří se intenzita absorpce nebo emise světelného záření jako následek biochemické reakce odehrávající se na povrchu biosenzoru.

Kalorimetrické - využívají změnu teploty v průběhu enzymatických reakcí.

7


• Hmotnostní - využívají piezoelektrických vlastností krystalů (např. křemen).

• Elektrochemické základem měření je změna potenciálu vyvolaná akumulací náboje na rozhraní elektrody s roztokem. 8


VÝHODY BIOSENZORŮ • • • •

odběr menších vzorků, snížení invazivnosti diagnostických nástrojů, více paralelních měření na jednom vzorku, možnost včasné diagnostiky nemoci a sledování pokroku v léčbě.

9


VYUŽITÍ NANOČIPŮ • Tato metoda vyžaduje odběr a destrukci buněk. • Použití nanočipů je pro analýzu DNA nebo RNA detekcí jejich odlišných sekvencí pomocí oligonukleotidů (krátká jednovlákenná molekula DNA) zakotvených v matrici čipu.

10

Nanodiagnostika in vivo

DIAGNOSTIKA IN VIVO • Implantovatelné biosenzory • Typy nanočástic: – kvantové tečky, – magnetické nanočástice, – polovodičové nanočástice (CdS, CdSe, ZnS), – dendrimery.... • Využití nanočástic pro zobrazovací techniky: – fluorescenční spektroskopie, – magnetická rezonance, – ultrazvuk, – rentgen....

11


FLUORESCENČNÍ SPEKTROSKOPIE Kvantové tečky jsou anorganické nanokrystalové částice z polovodičového materiálu o velikosti povrchu 2−10 nm2. Na povrchu mají proteiny nebo krátké fragmenty DNA. Částice mohou být spojeny s biomolekulou za vzniku fluorescenční sondy. • V závislosti na svém povrchu a fyzikálních a chemických vlastnostech se mohou zaměřit na specifickou tkáň nebo buňku. • Vydávají mnohem intenzivnější fluorescenční světlo a mají dlouhou životnost fluorescence. 12


MAGNETICKÁ REZONANCE Magnetické nanočástice obsahují magnetit (Fe3O4). Aby nedocházelo k adsorpci proteinů na jejich povrch, jsou pokryty polymerní vrstvou (polyethylenglykol, dextran).

13

Nanodiagnostika budoucnost

UMĚLÝ NOS Podstatou systému jsou 100 nanometrů tenké nanostruny z nitridu křemíku. Díky modifikaci povrchu se na jednotlivé struny "lepí" jen určité druhy molekul. Svou přítomností nanostrunu zatíží, čímž změní její nepatrné vibrace. Jedná se o piezoelektrický jev. Podle charakteristik oscilace struny pak lze rozpoznat, jaká molekula změnu vyvolala.

14

NANOFARMACIE A NOFARMAKOLOGIE Farmacie Zahrnuje výzkum, výrobu, distribuci, skladování a výdej léčiv. Farmakologie Zkoumá léčivo od okamžiku podání pacientovi. Nanofarmacie a nanofarmakologie Sledování distribuce léků přímo ve formě nanostruktur. 15

Nanofarmacie a nanofarmakologie

POŽADAVKY NA NOSIČE LÉČIV • Biologicky aktivní látka nepůsobí negativními vedlejšími účinky na organismus. • Nosiče léčiv lze reálně dopravit do požadovaného místa účinku. • Aktivuje se pouze v místě požadovaného účinku, působí v požadované koncentraci. • Působí po dobu optimální pro dosažení maximálního léčebného účinku.

• Léčivo, metabolity a všechny komponenty nosičového systému jsou po dosažení efektu eliminovány z organizmu. 16


„CHYTRÉ" NANOČÁSTICE: • • • • • •

Nanovlákna, Liposomy, Dendrimery, Micely, Fullereny, Uhlíkové nanotrubice.

17


NANOVLÁKNA + GLUTATHION (GSH) GSH je antioxidant, který v těle likviduje volné radikály a přispívá tím ke zpomalení stárnutí organismu.

 Účinnost byla omezena jeho zhoršenou vstřebatelností z trávicího traktu.  GSH ve formě tenké vrstvy nebo “nanovlákenné vaty” by se vstřebával přímo ze sliznice dutiny ústní.  Technologie výroby nanovláken založená na odstředivém principu rotujícího zvonu je rychlejší a méně nákladná než dosavadní elektrospining. 18


LIPOSOMY • Průměr 20 - 5000 nm

• Lipofilní i hydrofilní charakter. lipofilní + hydrofilní = amififilní

• Možnost enkapsulovat řadu látek • Procento enkapsulace lze zvýšit opakovaným rozmrazováním a zmrazováním při přípravě liposomů 19


LIPOSOMY Hydrofóbní látky - lipidová dvojvrstva.

Hydrofilní látky - vnitřní vodné prostředí.

20


LIPOSOMY Současné využití - Penetrace pokožkou

• Lipozomální formy zlepšují účinnost aplikovaných látek. (Kosmetika, oční spreje, nosiče UV filtrů, …) Budoucí využití - Vnitrožilní aplikace • Aplikace injekčně (při t≤ 37 °C jsou lyposomy stabilní) • Liposomy obsahující léčivo jsou směrovány k nádoru. • Uvolňují léčivo přímo do nádoru. Je tedy maximálně zamezeno šíření nežádoucích účinků.

21


DENDRIMERY • Dendros • Velikostí se blíží proteinům.

• Mají velký prostor uvnitř a poměrně vysoký počet funkčních skupin na povrchu.

22


DENDRIMERY

23


DENDRIMERY Využití • Dendrimery je možné přesněji zacílit než liposomy. • Léčení některých zhoubných nádorů

• Díky schopnosti prostoupit krevněmozkovou bariéru, by mohly napomoci léčení dětské obrny. 24


Micely • Hydrofobní jádro a hydrofilní stěna • Velikost 10 – 30 nm • Díky svému povrchu možňují enkapsulovat až 20% léčiva, které se uvolňuje v řádu několika hodin až dní.

25


Micely Budoucí použití: Léčba nádorových onemocnění • Rozrušení struktury micel s léčivem pomocí ultrazvuku nebo infračerveného záření. • Zvyšuje intracelulární příjem jak volného léčiva, tak i léčiva enkapsulovaného v micelách. • Působí pouze lokálně.

26

NANOMEDICÍNA V ONKOLOGII Rakovina je onemocněni způsobené zhoubným nádorem, pro který je charakteristický nekontrolovaný růst s ničením okolních tkání, zakladání metastáz a celkové působení na organizmus. Výzkum nanotechnologií v oblasti léčby rakoviny: – molekulární zobrazování pomocí nanočipů zachycujících rakovinné markery – zobrazování in vivo pomocí kontrastních částic – cílený transport léčiv 27

Nanomedicína v onkologii

ZPŮSOBY LIKVIDACE NÁDOROVÝCH BUNĚK • Nanopouzdra jsou zlatem pokryté křemíkové nanočástice, které uvnitř obsahují léčivo. Mohou absorbovat světelnou energii (IR) a přeměnit ji v teplo. Vhodné pro nádory těsně pod povrchem těla. • Zvýšení účinnosti neutronové záchytné terapie pomocí dendrimeru obsahujícího izotop boru a infiltrací nádoru nanočásticemi. Při ozařování cílového pole neutrony reagují jádra boru s pomalými neutrony za vzniku α částice. Vzniklé částice pak lokálně destruují nádor. • Jinou aplikací je cílená hypertermie nádoru působením vnějšího magnetického pole. Nanočástice s feromagnetickou látkou infiltruje tumor a po vystavení proměnnému magnetickému poli dojde k výraznému ohřevu a tepelné 28 destrukci.

REGENERATIVNÍ MEDICÍNA • Moderní regenerativní medicína je novým oborem, který se stále vyvíjí.

• Pro léčbu onemocnění se využívají kmenové buňky.

29

Regenerativní medicína

TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ Tkáňové inženýrství je interdisciplinární obor využívající znalostí inženýrství a přírodních věd k vývoji biologických náhrad sloužících k obnově, zachování nebo zlepšení funkcí tkání nebo orgánů.

30


TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ Nové vlasy, zuby, oči …to vše pomocí kmenových buněk … • Po vnesení namnožených folikulů začaly první vlasy rašit na myším hřbetu již po dvou až pěti týdnech. • Laboratorním myškám díky kmenovým buňkám vyrostly i nové zuby. • Výzkum britských vědců dokázal, že použití kmenových buněk jako náhrady za poškozené buňky vede i k navrácení zraku. – Ujalo se kolem 15 % buněk, což pomohlo ke zlepšení rozlišení kontrastu černé X bílé a zlepšilo orientaci. 31


BIOBOTI • Zvětšenina 7 mm dlouhého autonomního "biobota„ vyvinutého na univerzitě v Illinois. • Nevýhodou je neovladatelnost bio bota. • Snaha ovládat bio boty pomocí genu mořských řas, které jsou citlivé na světlo. • Možné aplikace zahrnují: Medicínský bio sensor, využití při chemické analýze, identifikace a zároveň likvidace toxických látek. 32

TERAPEUTIČTÍ NANOBOTI • • • • •

Pracovníci japonské univerzity sestavili „rotující spirálky“; dokážou se pohybovat cévami v těle, jsou schopné zavrtat se do tumorů a zničit je, mohou dodat léky určité tkáni či orgánu, mohou být injektovány pomocí standardní podkožní injekce, jsou magneticky řízené pomocí 3D zdroje magnetického pole a ovládacího spínače.

33

Terapeutičtí nanoboti

Na australské univerzitě se snaží sestrojit mikroroboty poháněné motorky velikosti šířky asi dvou lidských chlupů. • Jejich pohonný mechanismus se podobá tomu, co používá k pohybu po těle bakterie E.coli. • Rotující motorek pohybuje bičíky kolem své 100 000 krát za vteřinu.

34

Terapeutičtí nanoboti

• Dalším typem jsou samosestavovací mikroroboti sestaveni inženýry na Kalifornské univerzitě; • jsou tvořeni zlatým prstencem připojeným k obalu srdečního svalu, • energii k pohybu získávají z krevní glukózy, • mají využití v mikrochirurgii, při čištění nahromaděných krevních destiček v arteriích. 35

Terapeutičtí nanoboti budoucnost

RESPIROCYTY

• • • •

Respirocyty jsou umělé červené krvinky. Jako zdroj energie budou využívat krevní glukózu. Budou schopny dopravit do tkání 236 krát více kyslíku. Nanorobot je sestaven z 18 milionů atomů spojených chemickou vazbou. • Jeho maximální kapacita je 3 miliardy molekul O2 a CO2.

36

Terapeutičtí nanoboti budoucnost

MIKROPOŽÍRAČE

• Mikropožírače budou sloužit pro destrukci mikrobiálních patogenů. • Budou se skládat z teleskopického robotického tykadla, likvidační komory a trávicí komory s enzymy. • Zařízení bude schopno provést 80 likvidačních zásahů.

37

38

http://www.ceskatelevize.cz/ct24/svet/134817budou-vedci-v-budoucnu-vyrabet-lidske-organy/

39

ZDROJE • • • • •

http://www.chemicke-listy.cz/docs/full/2006_01_4-9.pdf [cit. 20. 11.2012] http://21stoleti.cz/blog/2012/09/24/nanocastice-zrychli-diagnozu/ [cit. 20. 11.2012] http://www.tahan.com/charlie/nanosociety/course201/nanos/KK.pdf [cit. 25. 11.2012] http://www.kardiochirurgie.cz/novinky-pro-odborniky/nanocastice-hudbou-budoucnosti-vlecbe-kardiovaskularnich-nemoci-190?confirm_rules=1 [cit. 20. 11.2012] http://www.nanotechnologie.cz/storage/nanotechnologie200610.pdf [cit. 20. 11.2012]

40

ZDROJE  http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=Ambivalence_Nanotechnologie&source=web&cd=1&v ed=0CDAQFjAA&url=http%3A%2F%2Fis.muni.cz%2Fth%2F65060%2Fff_m%2F&ei=ta0UMHrJK3E4gTpkoH4DQ&usg=AFQjCNFMtnWHw0JhJKIRG2GZ52XINDa3KQ [cit. 1. 11.2012]  http://orion.chemi.muni.cz/pskl/vyuka/Biosensory.pdf [cit. 10. 12.2012]  http://www.peta.unas.cz/biosenzory/Biosenzory_soubory/obsah.htm [cit. 20. 11.2012]  http://www.rozhlas.cz/leonardo/technologie/_zprava/575899 [cit. 9. 12.2012]  http://www.wikiskripta.eu/index.php/Nanotechnologie_v_medicíně/Nanomedicína_v_onkologii [cit. 9. 12.2]

41

ZDROJE  http://www.veda.cz/article.do?articleId=24430 [cit. 9. 12.2012]  http://www.medgadget.com/2005/09/surgical_micror.html [cit. 9. 12.2012]  http://www.google.cz/imgres?hl=en&tbo=d&tbm=isch&tbnid=8xWYSYFE9cEe2M:&imgrefur l=http://io9.com/5066893/where-are-my-medicalnanobots&docid=OXy8z474003ZBM&imgurl=http://cache.io9.com/assets/images/8/2008/10 /medium_350pxEcoli_flagellum_01.jpg&w=350&h=200&ei=atm9UImQDYiE4gSN04GwAQ&zoom=1&iact=h c&vpx=1043&vpy=281&dur=2322&hovh=160&hovw=280&tx=200&ty=106&sig=105822962 715880004261&page=2&tbnh=157&tbnw=259&start=21&ndsp=31&ved=1t:429,r:28,s:0,i:17 1&biw=1366&bih=602 [cit. 9. 12.2012]

42

ZDROJE

 http://www.google.cz/imgres?hl=en&tbo=d&tbm=isch&tbnid=dnx9_4JqGpSSfM:&imgrefu rl=http://considerthefuture.com/Computing/CompArticles/comp2_needle.html&docid=3KL plaMzbCr7LM&itg=1&imgurl=http://considerthefuture.com/images/nano.jpg&w=520&h=2 20&ei=Zda9UJb4GM314QST_oCoCQ&zoom=1&iact=hc&vpx=988&vpy=153&dur=455& hovh=146&hovw=345&tx=230&ty=93&sig=105822962715880004261&page=1&tbnh=12 0&tbnw=256&start=0&ndsp=20&ved=1t:429,r:5,s:0,i:99&biw=1366&bih=602 [cit. 9. 12.2012] http://21stoleti.cz/blog/2012/09/24/nanocastice-zrychli-diagnozu/ [cit. 9.12.2012]

43

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Recommend Documents